Đáp ứng vị trí theo trục x

Hình 4 .9 Khối điều khiển

Hình 4.10 Đáp ứng vị trí theo trục x

Hình 4.11. Đáp ứng vị trí theo trục y

Hình 4.10, hình 4.11 và hình 4.12, thể hiện giá trị đáp ứng và giá trị đặt của tọa độ điểm tác động cuối của tay máy Robot theo trục x, y và góc . Kết quả cho thấy, giá trị đáp ứng luôn bám theo giá trị đặt. Tuy nhiên, giá trị đáp ứng của  có sai số lớn hơn của tọa độ x và và, sai lệch này được thể hiện trong hình 4.13, hình 4.14 và hình 4.15.

Hình 4.13. Sai lệch vị trí theo trục x

Hình 4.14. Sai lệch vị trí theo trục y

Hình 4.15. Sai lệch vị trí theo góc 

Các giá trị ước lượng của bộ quan sát vận tốc/lực là lực ước lượng ˆ và vận tốc ước lượng ˆq được ký hiệu trên các hình vẽ mơ phỏng tương ứng là

g

 và q . Tương tự như vậy, g  và q ii 1: 3 là đáp ứng lực của điểm tác động cuối tay máy robot và góc của các khớp.

Hình 4.16. Lực đặt, đáp ứng lực thực tế và lực đặt

Kết quả thu được trong hình 4.16 và hình 4.17 cho thấy giá trị đáp ứng lực từ bộ điều khiển và giá trị lực ước lượng từ bộ quan sát luôn bám theo giá trị lực đặt sau khoảng thời gian t0.4 s .

Hình 4.17. Lực đặt, đáp ứng lực thực tế và lực ước lượng

Các giá trị vận tốc của các khớp lần lượt được ký hiệu là V q 1 , V q 2 và  3

V q . Tương ứng với vận tốc ược lượng các khớp từ bộ quan sát được thể hiện trong các hình vẽ sau:

Hình 4.18. Giá trị thực và ước lượng của vận tốc khớp 1

Hình 4.20. Giá trị thực và ước lượng của vận tốc khớp 3

Hình 4.18, hình 4.19 và hình 4.20 thể hiện đáp ứng vận tốc các khớp và giá trị ước lượng của vận tốc các khớp từ bộ quan sát. Tại thời điểm t0, ta có

ˆ

q  q 0. Từ kết quả thu được cho thấy giá trị vận tốc ước lượng luôn bám theo vận tốc thực sau khoảng thời gian rất nhỏ, t0.06 s .

Hình 4.21. Sai lệch vận tốc ước lượng của khớp 1

Hình 4.22. Sai lệch vận tốc ước lượng của khớp 2

Hình 4.23. Sai lệch vận tốc ước lượng của khớp 3

Hình 4.21, hình 4.22 và hình 4.23 cho thấy sai lệch vận tốc ước lượng của các khớp rất nhỏ và thời gian đáp ứng rất ngắn.

4.3.2. Trường hợp có sự tác động của nhiễu đo lường

Trong trường hợp này, mơ phỏng được thực hiện trong điều kiện có sự tác động của nhiễu đo lường được mơ tả trong hình 4.8. Các nhiễu đo lường này được đưa một cách ngẫu nhiên tác động đến góc quay các khớp. Như vậy tín hiệu vị trí được phản hồi về bộ điều khiển có sự ảnh hưởng của cả tín hiệu nhiễu. Để thực hiện mô phỏng có sự tác động của nhiễu, khóa “Manual Switch” được chuyển trạng thái như trong hình 4.24.

Hình 4.24. Sơ đồ điều khiển với sự tác động của nhiễu đo lường

Hình 4.25. Đáp ứng vị trí theo trục x với sự tác động của nhiễu đo lường

Hình 4.27. Sai lệch vị trí theo trục x với sự tác động của nhiễu đo lường

Hình 4.25 và hình 4,26 cho thấy khi có sự tác động của nhiễu đo lường, bộ điều khiển làm việc rất tốt, thể hiện ở đáp ứng vị trí điểm tác động cuối đạt được giá trị đặt sau một khoảng thời gian rất nhỏ t0.3 s . Sai lệch vị trí theo hai trục x , y và  được thể hiện trên hình 4.27, hình 4.28 và hình 4.29.

e y

[m

]

Hình 4.28. Sai lệch vị trí theo trục y với sự tác động của nhiễu đo lường

Hình 4.29. Sai lệch vị trí theo góc  với sự tác động của nhiễu đo lường

Hình 4.31. Sai lệch lực khi có tác động của nhiễu đo lường

Các đáp ứng của lực từ bộ điều khiển và sai lệch với lực đặt được thể hiện trong hình 4.30 và hình 4.31. Kết quả mơ phỏng cho thấy, bộ điều khiển hoạt động rất hiệu quả khi có sự tác động của nhiễu đo lường. Đáp ứng lực của bộ điều khiển đạt được lực đặt sau khoảng thời gian nhỏ t0.7 s . Giá trị lực ước lượng của bộ quan sát và sai lệch lực ước lượng được thể hiện trong hình 4.32 và hình 4.33.

Hình 4.32. Lực ước lượng khi có tác động của nhiễu đo lường

Hình 4.33. Sai lệch lực ước lượng khi có nhiễu đo lường

Kết qủa mơ phỏng thu được trên hình 4.33 cho thấy, sai lệch ước lượng lực của bộ quan sát NGPI tương đương với trường hợp khơng có tác động của nhiễu đo lường. Hình 4.33 thể hiện sự so sánh giữa sai lệch ước lượng lực của

bộ quan sát được xây dựng trong luận án (NGPI) với sai lệch ước lượng lực của bộ quan sát GPI được công bố trong [13] với các đánh giá sau: Thứ nhất, thời gian đáp ứng của sai lệch ước lượng lực đối với bộ quan sát NGPI (t0.1 s ) nhỏ hơn đối với bộ quan sát GPI (t0.3 s ). Thứ hai, tại vị trí (2) cho thấy khi sai lệch ước lượng lực đã ổn định thì độ lớn sai lệch ước lượng lực từ bộ quan sát NGPI nhỏ hơn đối với bộ quan sát GPI. Cuối cùng, tại vị trí (1) cho thấy dưới sự tác động của nhiễu đo lường, biên độ dao động của sai lệch lực ước lượng từ bộ quan sát NGPI nhỏ hơn đối với bộ quan sát GPI.

Hình 4.34. Vận tốc ước lượng khớp 1 khi có nhiễu đo lường

Hình 4.35. Vận tốc ước lượng khớp 2 khi có nhiễu đo lường

Hình 4.36. Vận tốc ước lượng khớp 3 khi có nhiễu đo lường

Giá trị ước lượng vận tốc từ bộ quan sát NGPI trong trường hợp có tác động của nhiễu đo lường được thể hiện trong các hình 4.34, hình 4.35 và hình 4.36.

Hình 4.37. Sai lệch vận tốc ước lượng khớp 1 khi có nhiễu đo lường

Sai lệch giữa giá trị ước lượng vận tốc từ bộ quan sát khi có sự tác động của nhiễu đo lường được thể hiện trong các hình 4.37, hình 4.38 và hình 4.39.

Hình 4.38. Sai lệch vận tốc ước lượng khớp 2 khi có nhiễu đo lường

Kết quả mô phỏng cho thấy giá trị vận tốc ước lượng của các khớp từ bộ quan sát khi bị tác động do nhiễu đo lường dẫn đến sai lệch vận tốc ước lượng của các khớp lớn hơn trường hợp khơng có tác động của nhiễu. Tuy nhiên, độ lớn sai lệch này rất nhỏ.

Hình 4.39. Sai lệch vận tốc ước lượng khớp 3 khi có nhiễu đo lường

Với kết quả thể hiện trên các hình 4.37, hình 4.38 và hình 4.39 cho thấy sai lệch vận tốc ước lượng của các khớp sử dụng bộ quan sát vận tốc/lực được xây dựng trong luận án (NGPI) nhỏ hơn rất nhiều so với sai lệch vận tốc ước lượng của các khớp khi sử dụng bộ quan sát GPI đã được cơng bố trong [13].

4.3.3. Trường hợp có sự thay đổi của các tham số động lực học

Trong phần này, để đánh giá khả năng đáp ứng của bộ điều khiển thích nghi vị trí và lực đã được thiết kế trong chương 3, mô phỏng được thực hiện với sự bất định của tham số động lực học của tay máy Robot khi làm việc. Các tham số động lực học của tay máy Robot được tách ra từ phương trình động học và chứa trong thành phần véc tơ tham số p được mô tả trong phương trình (3.28). Mơ phỏng được thực hiện với giả thiết tại thời điểm

 

t2.5 s , tham số p bị thay đổi như sau: T 01 02 015

p[p ,p ,p ] theo bảng 2.

Bảng 2. Giá trị thay đổi các tham số động lực học

01 1 1 01 2 2 03 3 3 04 4 4 p p 0.05p p p 0.05p p p 0.05p p p 0.05p         04 4 4 06 6 6 07 7 08 8 p p 0.05p p p 0.05p p p p p       09 9 010 10 10 011 11 11 012 12 12 p p p p 0.05p p p 0.05p p p 0.05p        013 13 014 14 015 15 p p p p p p    Kết quả mơ phỏng được thể hiện trong các hình vẽ sau:

Hình 4.40. Đáp ứng lực khi có sự thay đổi tham số động lực học

Hình 4.42. Lực ước lượng khi có thay đổi tham số động lực học

Kết quả mô phỏng cho thấy khi có sự thay đổi của các tham số động lực học tại thời điểm t2.5 s , đáp ứng lực từ bộ điều khiển có thay đổi với một sai lệch nhỏ. Tuy nhiên, sau khoảng thời gian rất ngắn t0.2 s , thì đáp ứng lực bám theo giá trị lực đặt. Hình 4.42 và hình 4.43 thể hiện đáp giá trị lực ước lượng và sai lệch lực ước lượng khi có sự thay đổi tham số động lực học tại thời điểm t2.5 s . Kết quả mơ phỏng trên hình 4.41 và hình 4.43 cho thấy sai lệch đáp ứng lực của bộ điều khiển biến thiên ngược pha với sai lệch lực ước lượng của bộ quan sát. Điều này cho thấy khi có sự bất định các tham số động lực học của tay máy Robot , bộ điều khiển thích nghi được với sự thay đổi đó thơng qua luật cập nhập các tham số động lực học một cách liên tục được thể hiện trong công thức (3.54) và bù lại các sai lệch lực do chính giá trị ước lượng của bộ quan sát sinh ra.

Hình 4.44. Đáp ứng vị trí theo trục x khi thay đổi tham số động lực học

Hình 4.45. Đáp ứng vị trí theo trục y khi thay đổi tham số động lực học

Hình 4.46. Đáp ứng vị trí theo góc  khi thay đổi tham số động lực học

Hình 4.44, hình 4.45 và hình 4.46 cho thấy đáp ứng về vị trí điểm tác động cuối của tay máy Robot khơng thay đổi so với trường hợp khơng có tác động của sự thay đổi các tham số động lực học. Điều này thể hiện bộ điều khiển làm việc rất hiệu quả và đưa ra một quỹ đạo vị trí chính xác cho điểm tác động cuối tay máy Robot .

Hình 4.48. Vận tốc ước lượng khớp 2 khi thay đổi tham số

Hình 4.49. Vận tốc ước lượng khớp 3 khi thay đổi tham số

Hình 4.47, hình 4.48 và hình 4.49 cho thấy sai lệch vận tốc ước lượng của bộ quan sát có thay đổi nhỏ (e v 1 0.002 rad s , e v 2 0.016 rad s  và

 3  

e v 0.01 rad s ) và xảy ra trong thời gian rất ngắn (t0.05 s ) khi có sự thay đổi các tham số động lực học của tay máy Robot. Hình 4.50, hình 4.51 và hình 4.52 thể hiện đáp ứng momen điều khiển đặt vào các khớp của tay máy Robot . Kết quả mô phỏng cho thể hiện đáp ứng momen điều khiển của bộ điều khiển khi điểm tác động cuối của tay máy Robot cần chuyển động theo một quỹ đạo mong muốn và luôn tác động lên bề mặt môi trường một lực mong muốn.

Hình 4.51. Momen điều khiển khớp 2 khi có sự thay đổi tham số

Hình 4.52. Momen điều khiển khớp 3 khi có sự thay đổi tham số

Sau thời điểm t6 s , momen điều khiển đặt tại các khớp 1, khớp 2, khớp 3 ổn định ở các giá trị 12 N.m , 27 N.m  và 0.6 N.m . Sau thời gian t6 s , đáp ứng vị trí của điểm tác động cuối của tay máy Robot thể hiện trong hình 4.44, hình 4.45 và hình 4.46 cho thấy quỹ đạo vị trí ổn định ở tọa độ có

 

x0.35 m , y0 m ,  0 22

   . Điều đó chứng tỏ rằng mặc dù vị trí điểm tác động cuối của tay máy Robot đã đạt được một giá trị mong muốn nhưng bộ điều khiển vẫn đưa ra momen điều khiển đặt vào các khớp để tạo ra một lực tương tác của điểm tác động cuối của tay máy Robot lên bề mặt môi trường được thể hiện trong công thức (4.3). Kết quả thu được còn thể hiện đáp ứng momen điều khiển tại các khớp khi có sự thay đổi của các tham số động lực học của tay máy Robot tại thời điểm t2.5 s , bộ điều khiển đưa ra các momen để bù lại sự thay đổi đó đảm bảo quỹ đạo vị trí và lực bám theo một quỹ đạo đặt.

Để đánh giá tính ưu việt của thuật tốn điều khiển thích nghi vị trí và lực sử dụng bộ quan sát vận tốc/lực (APFC-VFO) đã được tổng hợp trong luận án,

kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả mô phỏng của thuật toán điều khiển đã được cơng bố của nhóm tác giả Javier Pliego và các cộng sự [49] thực hiện trên cùng mô hình tốn học cánh tay robot A465.

Sai lệch theo trục x với APFC-VFO Sai lệch theo trục x [49]

Hình 4.53. So sánh đáp ứng sai lệch vị trí theo trục x giữa hai thuật tốn

Kết quả thể hiện trên hình 4.53, hình 4.54 và hình 4.55 cho thấy đáp ứng sai lệch vị trí theo các trục x , y và góc  được thực hiện với bộ điều khiển được tổng hợp trong luận án có độ lớn sai lệch lớn nhất nhỏ hơn độ lớn sai lệch lớn nhất của thuật toán được thực hiện trong [49] , thời gian xác lập nhanh hơn và độ lớn của sai lệch sau khi ổn định cũng nhỏ hơn.

Sai lệch theo trục y với APFC-VFO Sai lệch theo trục y [49]

Hình 4.54. So sánh đáp ứng sai lệch vị trí theo trục y giữa hai thuật tốn

Sai lệch theo góc  với APFC-VFO Sai lệch theo góc  với [49]

Sai lệch lực với APFC-VFO Đáp ứng sai lệch lực [49]

Hình 4.56. So sánh đáp ứng sai lệch lực giữa hai thuật tốn

Hình 4.56 thể hiện đáp ứng sai lệch lực được thực hiện với bộ điều khiển được tổng hợp trong luận án nhỏ hơn sai lệch lực được thực hiện với bộ điều khiển được thực hiện trong [49]. Với bộ điều khiển được tổng hợp trong luận án thì sau khoảng thời gian t0.7 s , sai lệch lực xấp xỉ bằng 0. Với bộ điều khiển được thực hiện trong nghiên cứu [49] thì sai lệch lực xấp xỉ bằng 0 sau khoảng thời gian t1.6 s . Kết quả thể hiện trên hình 4.56 cho thấy, sau khi sai lệch lực được xác lập thì sai lệch lực được thực hiện với (APFC-VFO) sẽ có độ lớn của nhỏ hơn sai lệch lực được thực hiện trong [49].

4.4. Kết luận chương 4

Trong chương này, các mô phỏng đã được thực hiện trên phần mềm Matlab Simulink với các nội dung chính như sau: Nội dung thứ nhất là xây được dựng mơ hình mơ phỏng động lực học tay máy Robot R

A465 . Nội dung thứ 2 là xây dựng sơ đồ mô phỏng cho các khối để thực hiện mô phỏng kiểm chứng chất lượng bộ quan sát vận tốc/lực và kiểm chứng chất lượng bộ điều khiển thích nghi vị trí/lực điều khiển tay máy Robot R

A465 chuyển động trong sự ràng buộc của môi trường. Nội dung thứ 3 là thực hiện mô phỏng bộ điều khiển thích nghi vị trí và lực kết hợp với bộ quan sát trong trường hợp lý tưởng, trường hợp có sự tác động của nhiễu đo lường và trường hợp có sự tác động của sự thay đổi các tham số động lực học. Từ các kết quả mô phỏng thu được, một các kết luận được rút ra như sau:

được tổng hợp làm việc rất tốt thể hiện qua đáp ứng quỹ đạo vị trí của điểm